Q245R钢锅炉管爆管原因

2020-11-11李建宾钦祥斗

理化检验(物理分册) 2020年10期

李建宾, 钦祥斗

(南京钢铁股份有限公司, 南京 210035)

Q245R钢主要用于制造锅炉及压力容器的部件，如低温段过热器、再热器、省煤器及水冷壁等[1-2]。由于碳钢在450 ℃以上长期运行会发生石墨化，因此受热面管子的长期最高使用温度最好在450 ℃以下。Q245R钢在这一温度范围内，其强度能满足过热器和蒸汽管道对强度的要求，且具有良好的抗氧化性能、韧性、焊接性能等，其冷、热加工性能均很好[3-5]。

某公司Q245R钢锅炉管在使用8个月时发生了横向爆管事故，爆管位置在某转弯处前段的直管部分，该锅炉管的介质为水蒸气，工作温度为400 ℃，工作压力为1.2 MPa(设计压力为2.5 MPa)，设计管壁厚为4.5 mm，管件外部无其他高温环境。为找出该Q245R钢锅炉管的失效原因，笔者对其进行了一系列检验和分析，以期类似事故不再发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

选取爆管部位和弯管部位的锅炉管作为分析对象，如图1所示，其中1号和2号试样为锅炉管发生爆管处，3号和4号试样为未爆管的弯管。分别将2号和4号试样横向切开，发现2号管内中空，内壁腐蚀严重，管壁呈现黑白两种颜色，外圈白亮色的管壁较薄，内圈呈灰黑色；而4号试样白亮色的管壁较厚，管内充满黑色堵塞物，如图2所示。

图1 锅炉管宏观形貌及试样编号Fig.1 Macro morphology and sample number of the boiler tubes

图2 2号和4号试样的横截面宏观形貌Fig.2 Macro morphology of cross section of sample No.2 and sample No.4

1.2 化学成分分析

采用ARL-4460型直读光谱仪分别对2号试样外壁和4号试样进行化学成分分析，结果见表 1。由表1可知，该两试样的碳含量差异显著，2号试样外壁的碳含量只有0.018%(质量分数，下同)，而4号试样的碳含量为0.16%，其他元素含量相差不大。

表1 锅炉管的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of the boiler tubes (mass fraction) %

1.3 硬度测试

将2号和4号试样横截面磨制抛光后，采用KB30S型维氏硬度计测试其硬度，其中2号试样测试外壁硬度，结果见表 2。由表2可知，2号试样硬度为90 HV10，4号试样硬度为185 HV10，两者差异显著。

表2 锅炉管的硬度测试结果Tab.2 Hardness test results of the boiler tubes HV10

1.4 金相检验

取2号试样外壁和4号试样纵向截面，依次镶嵌、磨抛后采用Axio Imager M2m型光学显微镜检测其非金属夹杂物情况，其非金属夹杂情况见表3和图3。可见2号试样B类夹杂1.0级；4号试样B类夹杂2.0级。

表3 锅炉管非金属夹杂评级结果Tab.3 Nonmetallic inclusions rating results of the boiler tubes

图3 锅炉管非金属夹杂物形貌Fig.3 Morphology of nonmetallic inclusions of the boiler tubes: a) sample No.2; b) sample No.4

图4 2号试样横截面抛光态局部形貌Fig.4 Polished morphology of local cross section of sample No.2

取2号和4号试样横截面，依次镶嵌、磨抛和浸蚀，采用Axio Imager M2m型光学显微镜观察其抛光态形貌和显微组织形貌。2号试样横截面局部抛光态形貌见图4，可见内侧氧化层厚度达2 914 μm，外侧未被氧化的管壁厚度只有3 110 μm。图5为2号和4号试样内表面抛光态形貌，可见2号试样有明显内氧化及晶间腐蚀，深约60 μm，而4号试样除表面氧化层，无明显内氧化及晶间腐蚀特征。图6为2号和4号试样内表面及附近显微组织形貌，可见2号试样的显微组织为铁素体， 4号试样的显微组织为铁素体+珠光体。

图5 2号试样和4号试样内表面抛光态形貌Fig.5 Polished morphology of inner surface of a) sample No.2 and b) sample No.4

图6 2号试样和4号试样内表面显微组织形貌Fig.6 Microstructure morphology of inner surface of a) sample No.2 and b) sample No.4

2号和4号试样的基体显微组织形貌如图7所示，可见2号试样基体显微组织为铁素体，晶粒度8级；而4号试样基体显微组织为铁素体+珠光体，晶粒度10级。

图7 2号试样和4号试样基体的显微组织形貌Fig.7 Microstructure morphology of matrix of a) sample No.2 and b) sample No.4

1.5 扫描电镜分析

图8 2号试样断口整体形貌Fig.8 Overall morphology of fracture of sample No.2

采用Stemi508型体视显微镜和Sigma300型扫描电镜(SEM)对2号试样断口进行分析，其宏观形貌如图8所示。可见各处氧化严重，内部呈现圆环形平台，推断为氧化层，外部向两边翻卷，应该为金属基体爆裂所致。裂纹源不明显，但根据钢管工作时的受力情况，可推断由内侧向外侧爆裂。图9a)为断口局部SEM形貌，将其分为靠近内表面的A区、壁厚中心的B区和靠近外表面的C区。图9b)为A区SEM形貌，该区有明显的沿晶特征，而且晶粒粗大；图9c)为B区SEM形貌，仍可见部分沿晶形貌；图9d)为C区SEM形貌，该区被氧化层覆盖，无法观察断裂特征。

图9 锅炉管断口SEM形貌Fig.9 SEM morphology of the fracture of the boiler tube: a) zoning diagram; b) zone A; c) zone B; d) zone C

1.6 X射线衍射分析

取4号试样管内堵塞物，研磨成粉末后采用XRD-7000型X射线衍射(XRD)仪进行物相分析，分析结果发现堵塞物主要为NaCl,Na2CO3等，分析结果见图10。

图10 4号试样管内堵塞物XRD谱Fig.10 XRD spectrum of blockage in tube of sample No.4

2 分析与讨论

由设计图纸可知，Q245R钢锅炉管原始壁厚为4.5 mm，Q245R钢的显微组织应为铁素体+珠光体。而理化检验结果表明，相比较4号试样，爆管处的2号试样内壁出现明显腐蚀减薄，而且内表面存在明显内氧化及晶间腐蚀特征，其显微组织为铁素体，碳含量明显减少，硬度较低，晶粒长大，说明该处温度异常，高温氧化使得管件出现严重脱碳。未爆管的管内堵塞物主要为NaCl，Na2CO3等，这可能与水蒸气的杂质有关。被堵塞的管路在转弯处，由于在该处蒸汽流动速度会降低，导致杂质逐渐沉积堵塞管路，蒸汽流动不畅，温度相对较低，没有在该处产生脱碳和高温应力腐蚀，而爆管的管子是堵塞管路的前段部分，后面管路堵塞变窄，导致管内蒸汽流速和温度异常，在较高的温度和腐蚀介质作用下，产生高温应力腐蚀，而晶界外更易于氧化腐蚀，促使沿晶断裂产生。

该Q245R钢锅炉管的高温应力腐蚀应该为阳极溶解，其机理是：在应力和腐蚀介质作用下，表面的氧化膜被腐蚀而受到破坏，破坏的表面和未破坏的表面分别形成阳极和阴极，阳极处的金属成为离子而被溶解，产生电流流向阴极。由于阳极面积比阴极的小得多，阳极的电流密度很大，进一步腐蚀已破坏的表面，这种腐蚀在碳钢中往往呈沿晶特征[6-10]。该Q245R钢锅炉管的介质中含有较多NaCl，NaCl虽然没有直接腐蚀性，但其作为电解质，增强了溶液的导电性，加速了腐蚀。其化学原理如下

阳极反应

Fe→Fe2++2e-

(1)

阴极反应

O2+2H2O+4e-→4OH-

(2)

总反应

2Fe+2H2O+O2→2Fe(OH)2

(3)

在氧充分的情况下，Fe(OH)2进一步氧化形成Fe(OH)3，Fe(OH)3脱水后生成铁锈。综合以上理化检验结果和分析可以判断出，该Q245R钢锅炉管爆管是因为水蒸气中NaCl，Na2CO3等杂质较多，逐渐在管内转弯处沉积，导致堵塞，而前段管路因蒸汽流速和温度异常，在高温高压和腐蚀介质作用下，管内壁不断被氧化，管壁减薄并脱碳，材料原有的强度被降低了，Q245R钢锅炉管承压能力逐渐变小，当承载力小到临界点时即发生爆管。